BIM與航拍技術(shù)在路橋項(xiàng)目工程中的協(xié)同應(yīng)用

付王科, 張 鑫, 張瑞龍

(中鐵二十三局集團(tuán)第四工程有限公司, 河南洛陽(yáng) 471533)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)工作穩(wěn)步推進(jìn)，越來(lái)越高的交通要求也使公路橋梁的結(jié)構(gòu)形式變得日益復(fù)雜。目前普遍使用的二維CAD圖紙已經(jīng)難以滿足路橋工程復(fù)雜構(gòu)造的設(shè)計(jì)與施工要求。因此，路橋項(xiàng)目工程的數(shù)字化建設(shè)應(yīng)時(shí)而生。

建筑信息模型( Building Information Modeling,簡(jiǎn)稱BIM) 是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造和管理的數(shù)據(jù)化工具，其核心是運(yùn)用Revit軟件建立參數(shù)化的三維建筑模型。BIM模型具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性的特點(diǎn)，在項(xiàng)目的不同階段，建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位和建設(shè)單位均可以通過(guò)插入、提取和更新信息，使現(xiàn)場(chǎng)管理人員和工程技術(shù)人員對(duì)各種建筑信息做出正確的理解和高效的應(yīng)對(duì)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約施工成本和縮短建設(shè)工期等方面發(fā)揮重要作用。

BIM技術(shù)以Revit軟件為核心，同時(shí)可以搭配N(xiāo)avisworks軟件、Dynamo插件與航拍技術(shù)來(lái)建立3D模型，對(duì)項(xiàng)目工程進(jìn)行可視化分析、碰撞檢查、三維漫游和施工模擬。本文以黑龍灘環(huán)湖東路項(xiàng)目工程為研究對(duì)象，將BIM與航拍技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用引入到公路橋梁項(xiàng)目工程中，為路橋項(xiàng)目工程中的數(shù)字化建設(shè)提供了一種新的可參考思路。

1 工程概況及背景

1.1 工程簡(jiǎn)介

仁壽縣黑龍灘環(huán)湖東路項(xiàng)目工程起于天府仁壽大道三繞互通，與天府仁壽大道清水至三繞段采用立交相接，跨越黑龍灘水庫(kù)后上跨國(guó)道351線，路線全長(zhǎng)20.942 km。其中橋隧總長(zhǎng)5.8 km，占比27.7%(圖1)。

圖1 項(xiàng)目線路概況

1.2 研究背景

擬建工程項(xiàng)目位于黑龍灘景區(qū)內(nèi)，山嶺重丘區(qū)，地形復(fù)雜，地勢(shì)陡峭，植被茂密。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，多數(shù)樁基位于陡峭山腰處，縱向施工便道難以拉通，需大量借用鄉(xiāng)村道路，且沿線路方向施工便道需分段繞山修筑。因此，如何科學(xué)合理的選用施工便道、做好施工調(diào)度就變得尤為重要。

本文以黑龍灘環(huán)湖東路項(xiàng)目工程中的重難點(diǎn)工程——周家山大橋(K7+015)為主要實(shí)施例，整合地形地貌、建筑物和設(shè)計(jì)圖紙的相關(guān)信息，建立BIM橋梁三維模型和航拍實(shí)景地形模型，為選用施工便道、做好施工調(diào)度進(jìn)行可視化分析。

2 建立航拍地圖實(shí)景模型

2.1 航拍采集實(shí)景圖片

隨著路橋項(xiàng)目工程數(shù)字化建設(shè)的發(fā)展，真實(shí)可靠高效率的可視化信息越來(lái)越重要，這也對(duì)工程區(qū)域快速準(zhǔn)確的進(jìn)行實(shí)景采集提出了更高的要求。

目前常規(guī)的實(shí)景地圖信息采集有3種方法，分別是步采、車(chē)采和航拍采集。步采，就是數(shù)據(jù)采集員拿著數(shù)據(jù)采集設(shè)備，按照行走線路一步步采集地圖數(shù)據(jù)。車(chē)采，就是數(shù)據(jù)采集員駕駛著測(cè)繪車(chē)輛沿道路行駛完成數(shù)據(jù)采集工作。大多數(shù)路橋項(xiàng)目工程位于山嶺重丘區(qū)，地形復(fù)雜，植被茂密，現(xiàn)場(chǎng)踏勘很難快速準(zhǔn)確對(duì)沿線區(qū)域進(jìn)行實(shí)景采集。無(wú)人機(jī)航拍采集，作為一個(gè)近幾年新興的數(shù)據(jù)采集方式，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，航拍采集沿線區(qū)域?qū)嵕皥D片，首先能夠從宏觀了解該地區(qū)的地圖實(shí)況，便于制定拍攝采集計(jì)劃;其次，航拍采集沿線區(qū)域?qū)嵕皥D片能夠獲得步采和車(chē)采得不到的視角，有利于制作三維實(shí)景模型。同時(shí)，航拍在采集方式中是最省時(shí)間、最高效的。

航拍采集沿線區(qū)域?qū)嵕皥D片時(shí)，需要通過(guò)在同一無(wú)人機(jī)上搭載可左右調(diào)節(jié)角度的相機(jī)，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像(一般航向和旁向重疊率最好不要低于70%，云臺(tái)俯仰角正射影像圖一般為-90°，拍攝3D立體斜角一般為-45°)，影像分辨率高、重疊度大、清晰度高、拍攝光照條件好，獲取地面物體的信息就會(huì)更為完整準(zhǔn)確，建成的三維模型效果也會(huì)更好。由這些正交和傾斜影像，通過(guò)Smart3D的圖像處理即可生成航拍地圖實(shí)景三維模型(圖2)。

圖2 周家山大橋(K7+015)下方航拍地圖實(shí)景模型

2.2 Smart3D圖像處理

Smart3D軟件是一款全自動(dòng)無(wú)人機(jī)后期圖像處理軟件，可以捕捉無(wú)人機(jī)拍攝的畫(huà)面，自動(dòng)運(yùn)算并快速建立三維模型，具體使用流程如下：

(1)打開(kāi)smart3D的ContextCapture Center Master軟件，點(diǎn)擊新建工程，依次填入工程名稱、工程目錄。

(2)選擇照片選項(xiàng)卡，添加無(wú)人機(jī)采集的地圖實(shí)景照片。默認(rèn)選擇使用照片坐標(biāo)(紅色)，若添加了控制點(diǎn)則選擇使用控制點(diǎn)坐標(biāo)(綠色)，各個(gè)選項(xiàng)保持默認(rèn)。

(3)打開(kāi)ContextCapture Center Engine進(jìn)行空三運(yùn)算，待空三運(yùn)算完成之后，按線路長(zhǎng)度進(jìn)行分塊。

(4)選擇默認(rèn)的3D mesh，選擇輸出的模型格式和模型所使用的坐標(biāo)系，勾選要進(jìn)行建模的瓦片后，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)行三維建模工作。

3 建立BIM橋梁三維模型

3.1 熟悉圖紙

現(xiàn)在的圖紙會(huì)審很大部分都是沿用以前的CAD平面圖紙的模式，但是二維圖紙很難滿足目前復(fù)雜工藝的展示要求，需要結(jié)合CAD圖紙和項(xiàng)目的實(shí)際需要繪制出三維模型。因此，熟悉CAD二維圖紙變得至關(guān)重要。在識(shí)圖、讀圖的過(guò)程中可以掌握項(xiàng)目工程概況，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目有詳細(xì)的了解。為了利用設(shè)計(jì)單位給出的原始數(shù)據(jù)，保證三維建模的真實(shí)性，需要將CAD圖紙中的線條進(jìn)行定位、拾取等，通過(guò)AutoCAD將圖紙分層整理，且只保留線路走向和構(gòu)件參數(shù)等信息，將CAD圖紙導(dǎo)入Revit軟件中作為底圖。

3.2 Revit建模

路橋項(xiàng)目工程中的三維模型具有顯著的特點(diǎn)，構(gòu)件多、組合復(fù)雜和相似程度較高。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，可以建立參數(shù)化的族來(lái)提高建模效率。

熟悉設(shè)計(jì)單位給出的原始圖紙后，通過(guò)參照CAD底圖，引用Revit軟件自帶的公制常規(guī)模型，通過(guò)拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣、放樣融合等操作創(chuàng)建橋梁構(gòu)件的幾何形狀，將幾何圖形與參照平面鎖定，創(chuàng)建尺寸標(biāo)注標(biāo)簽并添加到新建參數(shù)化族。參數(shù)化族是某一類(lèi)別中圖元特點(diǎn)的集合，是根據(jù)族中構(gòu)件外形的相似性與參數(shù)的差異性進(jìn)行組合。族庫(kù)的特點(diǎn)是通過(guò)已建好的參數(shù)化族樣版直接建模，只需要調(diào)整族參數(shù)就可以得到需要的構(gòu)件，從而減少重復(fù)性工作，提高建模效率。

針對(duì)難以定型且需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)的無(wú)法形成參數(shù)化族的構(gòu)件(如橋梁的平面曲線和縱斷面曲線、墊石、調(diào)節(jié)塊及路基等)，需要單獨(dú)建模。以路基為例，首先捕捉設(shè)計(jì)單位給出的原始CAD圖紙中的道路邊線，繪制中線的平面和縱斷面并區(qū)分圖層，把中線導(dǎo)入Revit作為參照。在Revit中新建體量，導(dǎo)入剛才區(qū)分圖層后的中線CAD文件。建模的時(shí)候，選用放樣融合，選取繪制的中線作為路徑來(lái)創(chuàng)建模型。

根據(jù)設(shè)計(jì)單位給出的平面圖紙繪制軸網(wǎng)，按構(gòu)件構(gòu)造和里程樁號(hào)依次組合模型(圖3、圖4)。

圖3 Revit參數(shù)化族構(gòu)件

圖4 周家山大橋(K7+015)橋梁三維模型

4 資源整合

4.1 三維地理信息系統(tǒng)

無(wú)論是航拍實(shí)景，還是路橋模型，單一的模塊遠(yuǎn)沒(méi)有疊加在一起更具有協(xié)調(diào)性、真實(shí)性和視覺(jué)沖擊力。圖新地球以三維地理信息系統(tǒng)作為基礎(chǔ)平臺(tái)，可以結(jié)合無(wú)人機(jī)實(shí)景三維模型和Revit 3D模型，三維展示路基、橋梁、隧道、互通等全項(xiàng)目場(chǎng)景信息，各種專業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效整合，實(shí)現(xiàn)地理信息與路橋設(shè)計(jì)信息的互通，讓技術(shù)與管理人員都能非常直觀地了解工程的情況，滿足項(xiàng)目管理需要。

4.2 數(shù)據(jù)整合

(1)以圖新地球系統(tǒng)作為基礎(chǔ)平臺(tái)，打開(kāi)圖新地球加載地圖(可選用高德地圖、谷歌地圖或其他)并設(shè)置為第1圖層。導(dǎo)入.kml格式的項(xiàng)目工程奧維路線圖為第2圖層。

(2)將Smart3D圖像處理后的航拍實(shí)景模型導(dǎo)出為.lfp格式，導(dǎo)入圖新地球并選擇加載為第3圖層。初始航拍實(shí)景模型載入圖層需要進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)，直至俯視角度與第1圖層的地圖重合。同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高調(diào)整圖層高度。

(3)將Revit建立的路橋模型導(dǎo)出為.fpx格式，經(jīng)3DsMax運(yùn)行布爾運(yùn)算后導(dǎo)出為.obj格式，導(dǎo)入圖新地球并選擇加載為場(chǎng)景模型。初始場(chǎng)景模型載入圖層同樣需要進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)，直至與奧維路線和設(shè)計(jì)圖紙中所標(biāo)注的位置重合。同時(shí)，根據(jù)圖紙上的設(shè)計(jì)標(biāo)高調(diào)整模型的海拔高度。

5 協(xié)同應(yīng)用

5.1 三維展示

圖新地球作為一款開(kāi)放式的三維地理信息平臺(tái)，協(xié)同應(yīng)用了Smart3D圖像處理后的航拍實(shí)景模型和Revit建立的路橋模型，可以形象的將項(xiàng)目的地理環(huán)境、設(shè)計(jì)方案和施工進(jìn)度等信息簡(jiǎn)單直觀地展示出來(lái)(圖5、圖6)。

圖5 周家山大橋(K7+015)橋梁三維效果圖(側(cè)視)

圖6 周家山大橋(K7+015)橋梁三維效果圖(俯視)

(1)完成多少就導(dǎo)入多少模型的形象進(jìn)度圖，有利于建設(shè)單位快速了解到項(xiàng)目施工的進(jìn)展情況，及時(shí)跟進(jìn)，確保建設(shè)周期。

(2)項(xiàng)目工程沿線模型全局覆蓋，有利于設(shè)計(jì)單位充分考慮挖填方量和路橋布局，協(xié)調(diào)建筑物與環(huán)境之間的關(guān)系，確保設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)合理。

(3)實(shí)景模型與路橋模型一體化的3D圖紙，有利于施工單位正確評(píng)估施工安全系數(shù)與難度系數(shù)，合理進(jìn)行變更申報(bào)與技術(shù)交底，確保項(xiàng)目工程多快好省的可持續(xù)發(fā)展。

(4)參數(shù)化的三維技術(shù)交底，有利于勞動(dòng)隊(duì)伍正確理解技術(shù)交底，牢牢把控結(jié)構(gòu)尺寸，確保生產(chǎn)質(zhì)量。

5.2 施工調(diào)度

對(duì)于路橋項(xiàng)目工程而言，長(zhǎng)戰(zhàn)線的人材機(jī)調(diào)配往往是個(gè)非常大的問(wèn)題，BIM與航拍技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)更新人員和機(jī)械的位置信息，3D化的建模體量運(yùn)算能夠快速地反映出當(dāng)日完成的形象進(jìn)度和下一日的工作計(jì)劃，可以做到人材機(jī)按需推進(jìn)，避免材料和機(jī)械的不及時(shí)或人員窩工、材料過(guò)剩等現(xiàn)象。同時(shí)，使用三維實(shí)景模型可以有效地進(jìn)行場(chǎng)地規(guī)劃，從而更好地做好施工調(diào)度，保證項(xiàng)目施工的有序進(jìn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

智慧化工地不是一蹴而就的，還包括施工安全、施工效率和環(huán)境友好等多方面的考量，公路橋梁結(jié)構(gòu)形式的日益復(fù)雜也對(duì)現(xiàn)代建筑工業(yè)提出了越來(lái)越高的要求，BIM與航拍技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用僅僅是路橋項(xiàng)目工程數(shù)字化建設(shè)探索路上的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，希望在施工管理和調(diào)度上能多一種參考思路。